Одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным световодам для диапазона спектра от 5 до 30 мкм. Световод включает сердцевину и оболочку. Сердцевина диаметром 15-45 мкм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра, легированных йодидом одновалентного таллия, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: хлорид серебра 19,5-15,0; бромид серебра 80,0-82,0; йодид одновалентного таллия 0,5-3,0. Оболочка диаметром 0,7-1,0 мм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра при следующем соотношении в мас.%: хлорид серебра 19,0-21,0; бромид серебра 81,0-79,0. Технический результат - получение одномодового двухслойного кристаллического световода для пропускания электромагнитного излучения в средней и дальней инфракрасной области спектра (5-30 мкм).

 

Изобретение относится к оптическим системам связи, а именно к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным (ИК) световодам для диапазона спектра от 5 до 30 мкм.

Известно, что в многомодовом двухслойном волокне межмодовая дисперсия налагает значительные ограничения на его информационную пропускную способность [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Превод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М: Радио и связь, 1989, с.141]. Ее можно полностью исключить, если спроектировать волокно так, чтобы в нем распространялась только одна мода. Это условие решается путем увеличения рабочей длины волны, уменьшением диаметра сердцевины световода или уменьшением разности показателей преломления между сердцевиной и оболочкой.

Изготовление двухслойного световода возможно путем изменения показателей преломления сердцевины и оболочки, при этом при изготовлении сердцевины световода используют примеси, повышающие показатель преломления [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Превод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М: Радио и связь, 1989, с.52].

Известен световод для ИК-области спектра [Патент РФ №2174247 от 27.09.01. Световод для инфракрасной области спектра // Жукова Л.В., Зелянский А.В., Жуков В.В., Китаев В.А.], состоящий из сердцевины AgCl-AgBr-AgJ, взятых в определенных соотношениях, и отражающей оболочки. Но этот двухслойный световод является многомодовым.

Известно также инфракрасное одномодовое волокно с квадратным сечением на основе твердых растворов галогенидов серебра [http://forc.gpi.ru/lab/ir/main2.html]. Но в нем не указан состав кристалла. Кроме того, оно изготовлено с квадратным сечением, а не с круглым. Изготовить световод с круглым сечением легче технологически, например, методом экструзии.

Наиболее близким техническим решением является одномодовое оптическое волокно, оболочка которого изготовлена из чистого кварца, а сердцевина - из кварца, легированного германием [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М: Радио и связь, 1989, с.143]. Волокно спроектировано для работы на четырех длинах волн: 0,85; 1,27; 1,35; 1,55 мкм. На каждой длине волны разность показателей преломления сердцевины и оболочки равна 0,005, а нормированная частота равна 2.

Но кристаллические кварцевые волокна работают только в ближней инфракрасной области спектра, т.е. в диапазоне от 0,8 до 2,5 мкм.

Задачей изобретения является получение одномодового двухслойного кристаллического световода для пропускания электромагнитного излучения в средней и дальней инфракрасной области спектра (5-30 мкм).

Поставленная задача решается за счет того, что одномодовый кристаллический двухслойный инфракрасный световод имеет сердцевину диаметром 15-45 мкм, изготовленную из твердых растворов хлорид-бромида серебра, легированных йодидом одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

хлорид серебра	19,5-15,0
бромид серебра	80,0-82,0
йодид одновалентного таллия	0,5-3,0,

а оболочка диаметром 0,7-1,0 мм, выполненная из твердых растворов хлорид-бромида серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

хлорид серебра	19,0-21,0
бромид серебра	81,0-79,0.

Новый одномодовый кристаллический инфракрасный световод имеет преимущества в сравнении с прототипом:

предназначен для работы в широком спектральном диапазоне пропускания (5-30 мкм), т.е. в средней и дальней инфракрасной области спектра.

Сущность изобретения состоит в том, что легированные йодидом одновалентного таллия в количестве 0,5-3,0 мас.% твердые растворы AgCl-AgBr состава, мас.%:

хлорид серебра	19,5-15,0
бромид серебра	80,0-82,0,

из которых выполнена сердцевина и помещенная в оболочку, изготовленную из твердых растворов AgCl-AgBr, содержащую в мас.%:

хлорид серебра	21,0-19,0
бромид серебра	79,0-81,0,

что позволяет получать двухслойный инфракрасный световод, в котором распространяется одна мода.

Новые составы сердцевины диаметром 15-45 мкм, помещенные в толстую оболочку световода диаметром 0,7-1,0 мм [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М: Радио и связь, 1989, с.121] обеспечивают разность их показателей преломления Δn=0,02-0,06, при дополнительном угле полного внутреннего отражения θ_c=17-31° и числовой апертуре NA=0,3-0,5. Кроме перечисленных фундаментальных характеристик ИК световодов [Кацуяма Т., Мацумура X. Инфракрасные волоконные световоды. М.: Мир, 1992, с.23-31], условие одномодовости нового инфракрасного световода определяет нормализованный параметр частоты, равный двум [Дж. Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И. Ларкина. М: Радио и связь, 1989, с.128,141]. ИК-световоды спроектированы для работы в спектральном диапазоне 5-30 мкм.

Пример 1.

Методом экструзии изготовили двухслойный ИК-световод. Сердцевина диаметром 15 мкм имеет состав в мас.%:

хлорид серебра	19,5
бромид серебра	80,0
йодид одновалентного таллия	0,5.

Оболочка диаметром 0,7 мм имеет состав в мас.%:

хлорид серебра	19,0
бромид серебра	81,0.

Разность показателей преломления сердцевины и оболочки составляет 0,02, нормализованная частота равна 2, дополнительный угол ввода электромагнитного излучения в световод на длине волны 5,0 мкм составляет 17°, при числовой апертуре 0,3.

При сканировании торца световода вид выходящего излучения имеет гауссовскую функцию распределения энергии. Это свидетельствует о наличии моды низшего порядка и подтверждает изготовление одномодового кристаллического ИК-световода [S.Shalem, A.Tsun, E.Rave and et al. Silver halide single-mode fibers for the middle infrared. Applied physics letters 87, 091103(2005)].

Пример 2.

Изготовили двухслойный ИК-световод с разностью показателей преломления сердцевины и оболочки 0,04. Сердцевина диаметром 20 мкм имеет состав, мас.%:

хлорид серебра	17,0
бромид серебра	81,0
иодид одновалентного таллия	2,0.

Оболочка диаметром 0,85 мм имеет состав в мас.%:

хлорид серебра	20,0
бромид серебра	80,0.

Числовая апертура равна 0,4 при значении в 25° дополнительного угла полного внутреннего отражения на длине волны 10,6 мкм и нормализованной частоте, равной 2.

Проведена съемка торца световода как в примере 1. По виду излучения, выходящему из сердцевины световода, можно судить о наличии моды низкого порядка НЕ₁₁, т.е. об одномодовом инфракрасном кристаллическом световоде.

Пример 3.

Двухслойный ИК-световод с разностью показателей преломления сердцевины и оболочки 0,06 получили методом экструзии. Диаметр сердцевины 45 мкм при составе в мас.%:

хлорид серебра	15,0
бромид серебра	82,0
иодид одновалентного таллия	3,0,

а диаметр оболочки 1 мм при составе в мас.%:

хлорид серебра	21,0
бромид серебра	79,0.

Числовая апертура - 0,5, при значении дополнительного угла полного внутреннего отражения 31° на длине волны 30 мкм и нормализованной частоте, равной 2.

При съемке торца световода, как в примере 1, в поперечном его сечении вид излучения имеет гауссовскую функцию распределения энергии, что подтверждает об изготовленном одномодовом кристаллическом ИК-световоде.

Пример 4.

Изготовить двухслойный ИК-световод с сердцевиной менее 15 мкм и составами, указанными в примерах 1-3, технологически сложно. Кроме того, с диаметром сердцевины менее 15 мкм повышается чувствительность волокна к потерям на изгиб.

Пример 5.

Методом экструзии изготовили двухслойный ИК-световод с диаметров сердцевины 55 мкм и составами сердцевины и оболочки, указанными в примере 3. Разность показателей преломления сердцевины и оболочки, дополнительный угол ввода в световод и числовая апертура как в примере 3, но нормализованная частота равна 3. Что свидетельствует о многомодовом режиме работы световода [Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М: Радио и связь, 1989, с.128].

Технический результат позволяет получать одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод с определенным диаметром сердцевины и оболочки, которые выполнены из твердых растворов AgCl-AgBr оптимального состава, причем для увеличения показателя преломления сердцевина легирована йодидом одновалентного таллия, что обеспечивает при работе в спектральном диапазоне 5-30 мкм получение оптимальных размеров разности показателей преломления сердцевины и оболочки, числовой апертуры, дополнительного угла ввода в световод и нормализованной частоты.

Одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод, включающий сердцевину и оболочку, отличающийся тем, что сердцевина диаметром 15-45 мкм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра, легированных йодидом одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

хлорид серебра	19,5-15,0
бромид серебра	80,0-82,0
йодид одновалентного таллия	0,5-3,0

а оболочка диаметром 0,7-1,0 мм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра при следующем соотношении, мас.%:

хлорид серебра	19,0-21,0
бромид серебра	81,0-79,0